6.2. Передачи зацеплением

Рассматриваются передачи зацеплением, работающие в закрытых корпусах и получившие широкое распространение в приводах станков, редукторах и коробках передач. К подобным передачам относятся цилиндрические зубчатые передачи с прямыми и наклонными зубьями, конические передачи с прямыми и круговыми зубьями, червячные передачи и волновые зубчатые передачи.

Зубчатые колеса являются основным видом передач коробок скоростей. От их габаритов и качества выполнения во многом зависят размеры и эксплуатационные характеристики всей коробки.

Основными причинами выхода из строя зубчатых колес станков являются усталость поверхностных слоев зубьев, их износ, смятие торцов зубьев переключающихся шестерен и реже поломка зубьев от усталости или перегрузок.

Расчет зубчатых колес ведется в основном теми же методами, которые рассматриваются в курсе «Детали машин». Однако при расчете зубчатых передач станков модуль определяется не только исходя из прочности зуба на изгиб, но и из усталости поверхностных слоев.

В коробках скоростей размер шестерен в большинстве случаев определяется контактными напряжениями, т.е. усталостью поверхностных слоев. Специфика расчетов по сравнению с принятыми расчетами в курсе «Детали машин» заключается в том, что число зубьев известно из кинематического расчета.

Кроме того, исходя из условий компактности передач, сумму зубьев зубчатых колес в одной двухваловой передаче рекомендуют устанавливать в пределах , а минимальное количество зубьев шестерен –[6].

Переключение скоростей производится путем периодического осевого перемещения двойных или тройных блоков зубчатых колес. Цельный блок (рис. 6.9, а) выгоден по себестоимости, однако имеет такие недостатки, как невозможность шлифовки зубьев у всех колес, неодинаковая их долговечность, выводящая из строя весь блок при износе одного колеса. Это привело к составным блокам, которые показаны на рис. 6.9, б, в, г. Они позволяют производить шлифовку всех зубьев, упрощают заготовки. За счет самоустановки колес происходит более равномерное распределение нагрузки. Большое значение имеет форма закругления зуба. Применение бочкообразной формы (рис. 6.9, д) приводит к выравниванию эпюр удельных нагрузок, повышает долговечность передачи.

Рис. 6.9. Конструкция блоков зубчатых колес

Ведущие колеса на валу электродвигателей с целью уменьшения шума, где это позволяют условия, изготавливают из текстолита. Окружную скорость в этом случае можно принимать до 40-50 м/с. Материал сопряженного колеса должен иметь твердость не ниже НВ 200-220.

Степень точности зубчатых передач регламентируется ГОСТ 1643-72, а шероховатость рабочей поверхности – ГОСТ 2789-73 (табл. 6.5).

Таблица 6.5

Характеристика зубчатых колес

Назначение зубчатых колес	Наименование	Степень точности	Шероховатость поверхности Ra, мкм
Кинематические	Точные делительные механизмы делительных цепей прецизионных станков	5 6 7	0,32-0,63 0,63-1,25 1,25
Силовые	Прямозубые при V, м/с: 10-15 4-10 до 4 Косозубые при V, м/с: 15-30 6-15 до 6	6 7 8 6 7 8	1,25 1,25 2,5 1,25 1,25 2,5

Применяют также зубчатые колеса с малой шириной венца, что сокращает осевые габариты коробок и повышает жесткость валов.

При проектировании коробки следует стремиться к наименьшим габаритам передач. Расположение шестерен по длине наиболее целесообразно производить так, чтобы не требовалось длинного вала для включения шестерен. При перемещении блоков шестерен можно иметь «узкий» и «широкий» варианты (рис. 6.10, а, б).

В случае применения тройного блока шестерен (рис. 6.10, в) необходимо, чтобы крайние шестерни z₁ и z₃ были меньше центральной шестерни z₂ настолько, чтобы при переключениях не задевать малую шестерню второго вала.

Для этого надо, чтобы (рис. 6.10, г) или, откуда. Таким образом, для переключения тройного блока его шестерни должны отличаться по крайней мере на четыре зуба [11].

а) б) в) г)

Рис. 6.10. Расположение шестерен по длине

В коробках скоростей обычно применяются зубчатые передачи 6-7-й степеней точности.

Критерием работоспособности закрытых зубчатых передач является прочность зубьев: активных поверхностей и изгибная.

ГОСТ 21354-75 рекомендует следующие расчеты зубьев передач:

• на контактную выносливость в целях предотвращения усталостного выкрашивания активных поверхностей зубьев;

• на контактную прочность при действии максимальной нагрузки для предотвращения остаточной деформации или хрупкого разрушения поверхностного слоя;

• на выносливость при изгибе для предотвращения усталостного излома зубьев;

• на малоцикловую выносливость при изгибе с целью предотвращения излома зубьев от малоцикловой усталости при плавном и ударном нагружении;

• на прочность при изгибе максимальной нагрузкой для предохранения зубьев от остаточной деформации или хрупкого излома [3].

В отдельных случаях для мелкомодульных колес с числом зубьев критерием работоспособности может являться усталостная изгибная прочность.

Материал и метод термической обработки силовых зубчатых колес выбирают в зависимости от их нагруженности. По нагруженности колеса разделены на четыре группы: особонапряженные, высоконапряженные, средненапряженные и малонапряженные. Основным критерием при определении степени нагруженности принимается расчетная величина местного максимального напряжения изгиба у основания зуба (_F). При проектировании коробок скоростей желательно выбирать конструкцию и размеры большей части зубчатых колес таким образом, чтобы по величине _F они не относились к группе особонапряженных, а лучше к группе средненапряженных [13].

Марки стали и методы упрочнения для силовых зубчатых колес приведены в табл. 6.6.

Зубчатые колеса, работающие со скоростями, не превышающими 12 м/с, изготавливают из стали 40ХФА. Сталь 40Х находит применение при окружных скоростях до 12 м/с. При наличии же ударных нагрузок используют цементуемую сталь 20Х. Для ответственных зубчатых колес, работающих со скоростями более 12 м/с, применяют стали 12ХН3А и 18ХГТ.